1. 状态机是什么

状态机（有限状态自动机，FSM）是实现电路功能的主要思路之一，也是一种建模手段。状态机既可以用于实际的电路实现，也是拆解设计目标、对宏观目标进行拆解的数学模型。
说人话的话，状态机表现为电路设计、软件设计等等不同的形象，但实际上它是一套分析事情的方法学，适用于电路设计、软件设计甚至现实生活中的任务安排等等。
状态机的构成
广义的状态机由四部分组成：

第一个是 State ，状态。一个状态机至少要包含两个状态。例如自动门的例子，有 open 和 closed 两个状态。
第二个是 Event ，事件。事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于自动门，“按下开门按钮”就是一个事件。
第三个是 Action ，动作。事件发生以后要执行动作。例如事件是“按开门按钮”，动作是“开门”。编程的时候，一个 Action 一般就对应一个函数。
第四个是 Transition ，变换。也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开门过程”就是一个变换。
对于电路设计而言，状态机一般由状态、转移条件（对应事件）和输出（对应动作）构成，“变换”就是当前状态和下一状态的切换，由于形式基本是一致的，不会单独去提。
电路设计不是必须使用状态机，但状态机是一种简洁、通用的解决方案。有时候之所以需要使用状态机，往往是电路中遇到了组合逻辑或一个时钟周期内难以解决的问题，比如：

• 输出信号仅需要在一种情况下，在某种输入出现时有效，而不是在任何情况下都因为某输入而有效
• 输出所需的数据需要在电路运行时才能根据输入确定下来，或因为访存等存在延迟
• 希望电路重复有限次，需要计数
• 同一模块内实现了几个相关功能，这些功能复用了部分电路，同时又有自己独立的部分，需要进行选择
• 电路除主要功能外，还存在一些较少触发的特殊功能

2. 如何快速理解电路中的状态机

状态机是为了实现电路功能而生的，要快速理解状态机，就要熟悉常见功能的常见电路实现，常见电路实现对应的常见状态机设计。

2.1 一种最常见的电路功能

独家秘笈：“握手电路”
握手电路是各类模块、各种功能、各类通信协议乃至更复杂功能的基础。可以这么说，在基础功能（比如加减乘除、比较、查询等一个clk可以实现的功能）之上，几乎所有涉及控制、交互的复杂功能的实现都离不开握手的思想。握手的概念可以某种状态机结构显式的出现，也可能是通过某些使能信号等隐式存在。
为什么需要握手电路？我们在设计一个较为复杂的电路时，往往是将功能拆成不同的模块，一个模块实现一个功能，这样做“拆分”，利于分步、分层解决问题（反过来说，即使复杂如CPU，你也可以想办法用一个超大模块去实现，但是各个功能点之间的耦合会异常复杂，以至于根本无从下手），也利于团队分工合作。
握手的基本组成是这样的：

图中虚线箭头是信号，实线箭头是状态转移。
一个基本的“握手”是这样的：小红想给小明说话，必须得保证两件事：小明此刻是有空的，同时小红自己想好要说啥了。当且仅当这两个条件同时达成时，小红和小明才有可能开始聊天。在图中，小明的ready可以发生在小红valid之前，也可以在valid之后。。
为啥说这个模型重要呢？看起来这就只是一个最简单的通信模型啊。其实，这里暗含了状态机最典型的特征：在这个例子里，小红的valid可以视为一个状态，即“我要发送的数据已经准备好了”，数据不是立刻需要发出去，而是需要等待小明的ready信号，小红等到这个信号后，才能从准备好数据的状态，转移到发送数据的状态。而对于小明呢？小明从ready进入work也必须等待小红的valid信号。
这一设计有趣的一点是，在小红看来，小明的ready是一个输入信号，但在小明看来，自己的ready是一个状态，自己要做的只是在ready状态下，持续的输出一个ready=1，并在接受到valid=1时进行状态转移到work即可；小红也是在自己的valid状态持续输出valid=1，并等待ready=1时进行状态转移。小红和小明的行为在这种框架下被解耦了，他们可以在自己适当的时候进入自己的ready/valid状态，并在条件成立的情况下从容的进行下一步动作。对于小红和小明两个需要交互模块本身，他们的状态机因此变得简洁、确定。
从小红的时序图上来看，仿佛是输出valid和输入ready同时为1的下一个clk，小红就转移到了下一个状态（小明也是一样的道理）。
这个例子非常形象的说明了状态机的特色：具备等待能力（小红的valid）、每一状态下的输出能力（小明在ready状态持续输出ready=1）以及条件转移能力。
同时，这个模型为所有此类需要等待、根据条件进行转移的模块间交流乃至模块内功能设计奠定了基础。
一个功能模块内部的核心功能往往并不复杂，许多情况下使用一组组合逻辑即可实现。那为什么稍微复杂一点的模块就让人看不懂了呢？首先，套用小红小明的例子，一个模块设计时经常需要使用另一个模块的输出作为输入条件，以实现模块间的功能配合；其次，在一个模块内部，其状态转移的条件往往也需要等待另一个信号，或者例如访存等功能，其所需信息的到来时间由外部决定，不能提前确定。这种功能之间的同步问题提高了模块功能的复杂性。
小红和小明沟通的问题，就给这一类问题提出了良好的解决模板：两个模块之间要协同，那么就需要每一方都至少有两个状态：ready和work。如果有一个模块内部的某个功能的某一步需要等待另一个信号，那么这一个功能点也有可能需要被拆分为两步状态机。

2.2 状态机中几种常见的基本状态

• Idle态：
  几乎所有状态机的起点都是idle。电路为啥需要idle态？首先，电路总是需要复位，复位后所有寄存器回到一个默认的状态，状态机也需要一个这样的状态，一般直接以idle作为该默认态；其次，idle态意味着，该电路目前没有正在执行的功能，没有异常，已经就绪并等待任务开始。电路总是应该能够循环执行的，状态机在一次功能执行结束后，要准备执行下一次功能，就必须回到idle。
• Prepare态：
  拿小红和小明的问题举例，小红给小明说话作为一个电路功能，在从idle态到valid之间，往往需要特定的功能去准备好自己要说的东西，有时需引入一个“PREP”状态，这一clk的输入激励往往就是使能en和一组配置信号，该状态负责处理指令
• RESP/END态：
  一次任务结束后，可能存在不同的执行结果，比如需要重新返回某一步进行循环、需要向其他模块发送结束信号，或者单纯的清理复位一下寄存器，此时往往设计一个END状态或者RESP（响应）状态

2.3 如何分析状态机设计

为了说明这个问题，我们现在假定有一个模块A，已知其功能是接收模块B发送的地址，将某些数据发送给模块C。
假定在不理解设计者意图的情况下，读电路总结模块A的状态机是这样的：

尽管图中没有涉及转移信号，我们依然可以做出以下猜测：

1. 存在idle到prep态，那么应该有一组来自模块B的启动信号，使模块A进入工作状态。这个启动过程没有显式的ready握手，那么可能在idle状态下就在向模块B输出ready类型的信号了，可以重点关注idle时有没有给模块B的输出。
2. 存在prep态到data态，推测模块A需要根据prep中给出的信息，到其他部分（比如存储器中）提取数据。值得注意的是，在此图中状态从prep直接转移到了data，而没有经过类似于握手的过程，那么perp到data的转移条件可能来自相关存储器的有效信号，或者data状态存在用于获取数据的子状态机（即用两三个状态实现和外部存储的通信，data状态下获得了数据）。
3. Data后状态机出现了分支，此时应该考虑是在prep或者data状态时，根据某些信号或者数据，判断了工作模式是stream还是single，应该重点分析这个分支条件的来源。
4. 两个send状态相对独立，可以单独分析。Send_stream和packet_done之间存在循环，应该分析一下循环和退出的条件，由此就能猜出send_packet到底在执行什么功能了。还需要关注模块A和要接受数据的模块C之间是怎么互动握手，来确定数据是否发送成功、是否接收成功，涉及到了哪些信号。
   在看到状态图后，我们有了以上对于功能的猜想，再去读电路，就是回答这些问题，以及验证我们对于电路运作的猜测。

最后

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